JP2009526363A - 円筒形空気亜鉛電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

円筒形空気亜鉛電池及びその製造方法が開示される。空気亜鉛電池は、空気正極膜とセパレータとを有し、実質的に円筒形に湾曲されるフィルムと、前記フィルムの両端を収容する接合体を有する。前記接合体は、少なくとも一部の形態が変形して前記フィルムの両端を加圧し、前記フィルムに結合される。これにより、空気亜鉛電池の製造において亜鉛ゲルの漏れを容易にでき、従って空気亜鉛電池の適用領域が拡大する。

Description

本発明は、円筒形標準規格の空気亜鉛電池及びそれを製造する方法に係り、特に、空気亜鉛電池に含まれるフィルムの封止構造に関する。

電気機器の小型化はかなり前から進められてきており、多くの携帯用電気機器が開発されてきた。しかしながら、近年、移動通信の急速な発展に加え、ユビキタスネットワークという新しいパラダイムが紹介されることで、小型で、かつ、携帯が容易な電気機器の開発がさらに注目されている。ＭＰ３プレーヤやデジタルカメラ、移動電話、ＰＤＡ、ラップトップコンピュータなど殆どの電気機器は、小型で持ち運びが容易な形態に発展されている。また、このような小型化と共に、ＭＰ３フォン、デジカメ付き携帯電話など１つの機器に多様な機能を統合させる試みも行われている。このような試みは、ユーザに移動の自由と使用の便宜を提供しているが、電力の安定した供給という新たな課題を提示している。

従来、電気機器に電力を供給するための手段として電池が広く用いられた。従来は、電池としてマンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池、空気亜鉛（ｚｉｎｃ−ａｉｒ）電池などの一次電池と、ニッケルカドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池、ニッケル水素（Ｎｉ−Ｈ）電池、リチウムイオン電池などの二次電池が用いられた。これらのうち、空気亜鉛電池は１.４Ｖの相対的に高い電圧を提供し、エネルギーの密度が高く、放電容量が大きいという長所を有する。また、電池の放電が完了するまでほぼ一定の放電特性を示し、重金属の含有のため、使用が抑制されている水銀電池に取って代わることのできる乾電池であるとされている。

図８を参照すれば、従来のボタン型空気亜鉛電池は、正極としての膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ;１４）と、負極としての亜鉛ゲル１２とを有し、膜と亜鉛ゲルとの間にはセパレータ（Ｓｅｐａｒａｔｏｒ;１６）が介在される。そして、膜と亜鉛ゲルは、それぞれ導電性の正極缶２０と負極缶２２の内に収容されて電池を構成する。

膜は水分子を含んでいる透過性のものであって、空気中の酸素と接触して水酸化イオン（ＯＨ^-）を発生させる。この反応は、下記一般式で表されることができる。

上記反応において、電子は正極缶２０を介して供給される。膜の材質としては通常、炭素が多く用いられるが、必要電圧又は応用分野に応じて適切な材料を用いてもよい。

このように正極における反応に酸素が必要なので、正極は空気と接触し得る経路を有していなければならず、それにより、正極缶２０の下部には空気孔２８が形成される。空気孔２８は、電池を使用しない時には封止されて正極での反応を抑止する。

上述した化学反応により発生した水酸化イオンは、セパレータ１６を介して 負極の亜鉛ゲルに伝達される。セパレータ１６は、水酸化イオンに対しては透過性を有する一方、亜鉛ゲルが漏れるのを防止し、亜鉛ゲルと膜を絶縁する機能を有する。

亜鉛ゲルは、亜鉛粉末を主に含んでおり、添加剤と電解質が混合される。通常、電解質としては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液が用いられる。水酸化イオンが亜鉛ゲル内に伝達されると、亜鉛粉末が水酸化イオンと反応して酸化される。この反応は、下記一般式で表されることができる。

この反応により負極で電子が発生し、発生した電子は負極缶２２を介して伝達される。このような化学反応により、理論的には最大１.６５Ｖの電圧が発生し得る。

従来の空気亜鉛電池は、大半がボタンセルの形態にのみ用いられ、ボタンセル型の空気亜鉛電池は、缶を曲げることで、電池を封止した。従来の空気亜鉛電池の製造方法は、下記の特許文献１に開示されている。

図９を参照して、従来の空気亜鉛電池の製造方法を説明する。空気亜鉛電池は、負極としての亜鉛ゲル１２、正極としての正極膜１４、及びこれらを絶縁するセパレータ１６を有し、それぞれ亜鉛ゲル１２及び正極膜１４と接続されている負極缶２２及び正極缶２０がこれらを取り囲む。一方、正極缶２０には正極膜１４に空気が接触するように、貫通孔２８が形成される。

缶の末端部において、負極缶２２と正極缶２０との間にガスケット２６が介在され、正極缶２０とガスケット２６が負極缶２２側に折り曲げられることで、電池が封止される。

このような空気亜鉛電池は、電圧やエネルギーの密度、放電容量、放電特性などにおいて有利な性質を有しているが、従来は空気亜鉛電池の使用分野が補聴器やカメラなど特殊な分野に限られ、特に、ボタン型の電池として販売されるだけで、ＡＡＡ、ＡＡなどの円筒形標準規格には製造されなかった。円筒形空気亜鉛電池の商用化のためには、円筒形電池が適用される応用分野に適した電圧及び電流を発生させるように、空気亜鉛電池を製造しなければならないことに加え、空気亜鉛電池を円筒形に製造する方法が開発されなければならない。

図１０を参照して、円筒形空気亜鉛電池を製造する上での問題点を説明する。図１０は、仮想の円筒形空気亜鉛電池の断面図であり、図８と共通の構成要素には同一の参照符号を付す。空気亜鉛電池は、負極として亜鉛ゲルを含んでいるので、亜鉛ゲルの漏液が防止されなければならない。図８に示すような従来のボタン形電池においては、亜鉛ゲルの下部に正極膜１４及びセパレータ１６が配置されて亜鉛ゲルの液漏れを防止できるので、その製造が容易である。しかしながら、図１０に示すように、円筒形電池においては、セパレータ１６と正極膜１４が亜鉛ゲルを取り囲む構成を有するようになり、円筒形状を形成するにおいて正極膜１４とセパレータ１６は接合部３０を有するため、亜鉛ゲルの液漏れを遮断するのが容易ではない。

従って、円筒形の空気亜鉛乾電池を製造するためには、亜鉛ゲルの液漏れを遮断しながら、セパレータ１６及び正極膜１４の接合部を接合する方法の開発が必要である。
特開２００２−３７３７１１号広報

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、その目的は、円筒形空気亜鉛電池において亜鉛ゲルの漏れを防止するためのフィルムの封止構造及びそれを用いた円筒形空気亜鉛電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、空気正極膜とセパレータとを有し、実質的に円筒形に湾曲されるフィルムと、前記フィルムの両端を収容する接合体を有し、前記接合体は、少なくとも一部の形態が変形して前記フィルムの両端を加圧し、前記フィルムに結合される空気亜鉛電池が提供される。

好ましくは、前記接合体は開口部を有するＨ字状に形成され、開口部に前記フィルムの両端が収容される。

空気亜鉛電池は、前記フィルムと前記接合体との間に介在されて封止効果を改善する封止部材をさらに有することが好ましい。前記接合体は、前記フィルムにより形成された円筒の内部及び外部にそれぞれ配置された２つの部分を含むことができる。

一方、前記フィルムは膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を含むことができる。

上記目的を達成するために、本発明の他の態様によれば、空気正極膜とセパレータとを有し、実質的に円筒形に湾曲されるフィルム及び前記フィルムの両端を収容する接合体を有する空気亜鉛電池の製造方法において、（ａ）前記フィルムの一端を前記接合体に収容させる段階と、（ｂ）前記接合体の少なくとも一部を変形させて前記接合体と前記フィルムの一端とを結合する段階と、（ｃ）前記フィルムの他端を前記接合体に収容させる段階と、（ｄ）前記接合体の少なくとも一部を変形させて前記接合体と前記フィルムの他端とを結合する段階とを含む空気亜鉛電池の製造方法が提供される。

方法は、前記（ａ）段階の前に前記フィルムの一端の表面に封止効果を改善するための封止部材を配置する段階をさらに含み、前記（ａ）段階は、前記フィルムの一端及び前記封止部材を共に前記接合体に収容させることができる。

一方、前記（ｃ）段階の前に前記フィルムの他端の表面に封止効果を改善するための封止部材を配置する段階をさらに含み、前記（ｃ）段階は、前記フィルムの他端及び前記封止部材を共に前記接合体に収容させることも可能である。

また、前記接合体は、前記フィルムにより形成された円筒の内部及び外部にそれぞれ配置された２つの部分を含むことが好ましく、前記（ｂ）段階は前記（ｃ）段階の後に行われることができる。

本発明によれば、亜鉛ゲルの漏れを遮断しながら、円筒形に空気亜鉛電池を製造できる簡単な封止構造を提供することで、空気亜鉛電池を低コストで標準規格に合わせて製造して使用できるという効果を奏する。

以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面を参照して説明する。これらの実施形態は例示に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の第１実施形態に係る空気亜鉛電池の断面図である。本実施形態の空気亜鉛電池は、負極として機能する亜鉛ゲル１３０、亜鉛ゲル１３０を取り囲む円筒状を有し、空気と接触して正極として機能する空気正極膜１１２及び空気正極膜１１２と亜鉛ゲル１３０との接触を遮断するためのセパレータ１１４を備える。空気正極膜１１２とセパレータ１１４は、１つのフィルム１１０を構成することができる。また、フィルム１１０はＭＥＡで実現されて同一の機能を行うことができる。フィルム１１０には、空気正極膜１１２とセパレータ１１４以外に、これらの機能を向上させるためのその他の構成要素が含まれてもよく、これについては当業者であれば、容易に認識することができる。

フィルム１１０は絶縁体１４０により絶縁され、その外部にはハウジング１５０が形成されてセルの形態を維持し、セルを外部から保護する。ハウジング１５０と絶縁体１４０には開口が形成されて内部の正極膜１１２が空気と接触し得るようにする。しかしながら、ハウジング１５０が絶縁材質で形成され、絶縁体１４０を配置しないことも可能である。

フィルム１１０は、内部の亜鉛ゲル１３０の漏液を防止するために、接合体１２０により両端が接合されて封止される。接合体１２０は、樹脂又は金属材質で形成されることができるが、封止効果を高めるために樹脂材質を用いることが好ましい。接合体１２０は、射出成形により形成されるか、押し出し又は引き抜きにより長く延びるように形成された部材を切断して形成されることもできる。

接合体１２０は、フィルム１１０の両端部の間の空間を埋めるようにＨ字状を有し、その両側の開口部にフィルム１１０が収容され得る。接合体１２０は、少なくとも一部の形態が変形してフィルム１１０を加圧することで、フィルム１１０とその内部が封止されるように結合され得る。このとき、接合体１２０は、フィルム１１０に圧着され得る。

図２〜図４を参照して、本実施形態に係る空気亜鉛電池の製造方法を説明する。

まず、フィルム１１０と接合体１２０とを用意する。接合体１２０は、Ｈ字状を有し、その両側に開口部１２２が形成されることができる（図２）。次に、接合体１２０の開口部１２２にフィルム１１０の両端が収容される（図３）。その後、接合体１２０の少なくとも一部１２４の形態が変形してフィルム１１０が加圧され、フィルム１１０と接合体１１０が内部を封止しながら結合される。このとき、接合体１２０はフィルム１１０に圧着され得る。接合体１２０とフィルム１１０との結合は、いわゆるコーキング（ｃａｕｌｋｉｎｇ）として知られている工程により行うことができる。

これとは異なり、接合体１２０に開口部１２２のフィルム１１０の一端のみ収容された後に結合工程が行われ、フィルム１１０の他端が収容された後、再び他端に対して結合工程が行われることも可能である。このような工程の順序は、後続する亜鉛ゲルの充填、ハウジングの結合などと関連した工程段階に応じて当業者が容易に変更できることは明白である。

図５は、本発明の第２実施形態に係る空気亜鉛電池の断面図である。本実施形態の空気亜鉛電池は、フィルム１１０の封止のための接合体１２０及び封止部材１２８と関連した構成を除いては前述した実施形態と同一であるので、これについての詳細な説明は省略する。

本実施形態の空気亜鉛電池は、接合体１２０とフィルム１１０との間に介在された封止部材１２８をさらに有する。封止部材１２８は、フィルム１１０と接合体１２０との間における亜鉛ゲル１３０の漏液を防止するために配置されるものであって、封止効果を向上させるために、ゴムなどの弾力性を有する材質で形成されることができる。

封止部材１２８を配置することで、フィルム１１０の両端部の間の空間が別途に充填されなくても済むので、本実施形態の接合体１２０はＨ字状を有さないことができる。その代りに、接合体１２０はフィルム１１０により形成された円筒の内部及び外部にそれぞれ配置された２つの部分を含むことができる。各部分は円筒の内部及び外部で少なくとも一部１２６が変形して、封止部材１２８及びフィルム１１０と接合体１２０が内部を封止するように結合される。

本実施形態において、封止部材１２８により封止効果が改善されるので、接合体１２０は樹脂材質のみならず、金属材質で形成されることも可能である。

図６及び図７を参照して、本実施形態に係る空気亜鉛電池の製造方法を説明する。

まず、フィルム１１０と封止部材１２８及び接合体１２０を用意する。次に、フィルム１１０の端部表面に封止部材１２８を配置し、フィルム１１０と封止部材１２８が前記接合体１２０に収容されるようにする。接合体１２０は、フィルム１１０により形成された円筒の内部と外部に配置される２つの部分を含み、フィルム１１０と封止部材１２８はこれらの間に配置されることができる（図６）。その後、接合体１２０の少なくとも一部１２６が変形して封止部材１２８及びフィルム１１０を加圧することで、接合体１２０と封止部材１２８及びフィルム１１０が内部を封止するように結合される（図７）。このとき、接合体１２０の変形は、コーキング工程により行われることができる。

一方、本実施形態において、フィルム１１０、封止部材１２８及び接合体１２０の結合は、フィルム１１０の両端に対して別途に行われることができ、以外の工程段階の順序を変更できることも当業者には明らかである。

以上、本発明の具体的な実施形態と関連して本発明を説明したが、これは例示に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。当業者は前記説明に基づいてこれらの実施形態に対し、多様な変更又は変形を行うことができる。例えば、当業者は電池の性能を改善するために、各部分に対する最適の材質を選択したり、各構成要素を製造するための最適の方法を選択することができ、上述した各段階の順序を変更したり、他の段階を追加することができる。しかしながら、このような変更又は変形も本発明の思想に基づくものであり、本発明の範囲から逸脱することなく、従って本発明の範囲は添付する請求の範囲及びその均等物のみによって定まるべきである。

本発明の第１実施形態に係る空気亜鉛電池の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る空気亜鉛電池の製造方法を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る空気亜鉛電池の製造方法を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る空気亜鉛電池の製造方法を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る空気亜鉛電池の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る空気亜鉛電池の製造方法を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る空気亜鉛電池の製造方法を示す図である。 従来のボタンセル空気亜鉛電池の断面図である。 従来のボタンセル空気亜鉛電池の封止構造の断面図である。 仮想の円筒形空気亜鉛電池の断面図である。

Claims (10)

1. 空気正極膜とセパレータとを有し、実質的に円筒形に湾曲されるフィルムと、
   前記フィルムの両端を収容する接合体を有し、
   前記接合体は、少なくとも一部の形態が変形して前記フィルムの両端を加圧し、前記フィルムに結合される空気亜鉛電池。
2. 前記接合体は開口部を有するＨ字状に形成され、前記開口部に前記フィルムの両端が収容されることを特徴とする請求項１に記載の空気亜鉛電池。
3. 前記フィルムと前記接合体との間に介在して封止効果を改善する封止部材をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の空気亜鉛電池。
4. 前記接合体は、前記フィルムにより形成された円筒の内部及び外部にそれぞれ配置された２つの部分を含むことを特徴とする請求項３に記載の空気亜鉛電池。
5. 前記フィルムは、膜電極接合体（ＭＥＡ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の空気亜鉛電池。
6. 空気正極膜とセパレータと、実質的に円筒形に湾曲されるフィルム及び前記フィルムの両端を収容する接合体とを有する空気亜鉛電池の製造方法において、
   （ａ）前記フィルムの一端を前記接合体に収容させる段階と、
   （ｂ）前記接合体の少なくとも一部を変形させて前記接合体と前記フィルムの一端とを結合する段階と、
   （ｃ）前記フィルムの他端を前記接合体に収容させる段階と、
   （ｄ）前記接合体の少なくとも一部を変形させて前記接合体と前記フィルムの他端とを結合する段階と
   を含む空気亜鉛電池の製造方法。
7. 前記（ａ）段階の前に前記フィルムの一端の表面に封止効果を改善するための封止部材を配置する段階をさらに含み、
   前記（ａ）段階は、前記フィルムの一端及び前記封止部材を共に前記接合体に収容させることを特徴とする請求項６に記載の空気亜鉛電池の製造方法。
8. 前記（ｃ）段階の前に前記フィルムの他端の表面に封止効果を改善するための封止部材を配置する段階をさらに含み、
   前記（ｃ）段階は、前記フィルムの他端及び前記封止部材を共に前記接合体に収容させることを特徴とする請求項６に記載の空気亜鉛電池の製造方法。
9. 前記接合体は、前記フィルムにより形成された円筒の内部及び外部にそれぞれ配置された２つの部分を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の空気亜鉛電池の製造方法。
10. 前記（ｂ）段階は、前記（ｃ）段階の後に行われることを特徴とする請求項６に記載の空気亜鉛電池の製造方法。

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